張欣然 馬純杰 韓 磊

(1.壽光市建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，山東 濰坊 261000； 2.濰坊市建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，山東 濰坊 261000; 3.山東景城建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，山東 濰坊 261000)

0 引言

我國多年凍土分布廣泛，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)我國凍土約有215萬km2，占國土面積20%以上，凍土地區(qū)的開發(fā)建設(shè)與社會的發(fā)展息息相關(guān)[1]。國家高度重視高原地區(qū)凍土的研究，并建立了具有相當(dāng)科研能力的國家凍土研究試驗(yàn)室，對凍土進(jìn)行全方面研究。

凍土地區(qū)結(jié)構(gòu)物在正常服役期間常存在凍脹、融沉、承載力不足等問題，極易發(fā)生下沉和失穩(wěn)破壞，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[2]。對于高原地區(qū)多年凍土，國內(nèi)外眾多專家學(xué)者已對其工程特性做了大量研究，勵國良[4]對高原多年凍土地區(qū)樁基基礎(chǔ)水平、豎向荷載試驗(yàn)進(jìn)行研究；孫常新等[5]對青藏高原多年凍土地區(qū)施工方法、注意事項(xiàng)等進(jìn)行介紹，揭示了回凍時間對工程施工的影響；DONALD等[4]發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度處于一定范圍內(nèi)，凍土的剪切強(qiáng)度將會隨溫度的降低而降低；Harlan等基于數(shù)學(xué)方法與物理力學(xué)理論提出凍土在凍融循環(huán)過程中其物質(zhì)運(yùn)動與遷移的理論方程。本文對高原凍土地區(qū)典型凍土工程特性進(jìn)行研究，為高原凍土地區(qū)工程建設(shè)提供理論基礎(chǔ)。

1 凍土各組分作用機(jī)制

通常意義上將土體溫度等于0 ℃或者低于0 ℃并且含有冰晶體的各類土體統(tǒng)稱為凍土，當(dāng)土體連續(xù)三年或三年以上處于0 ℃以下環(huán)境，土內(nèi)冰體常年不融化時稱其為多年凍土，我國為世界第三大凍土分布國，多年凍土廣泛分布于西部高原地區(qū)。凍土實(shí)質(zhì)上是由空氣(氣相)、未凍結(jié)水(液相)、冰體(固相)、土顆粒(固相)等組成的不同于傳統(tǒng)固、液、氣三相組成的普通土體，水結(jié)晶體積變大使得凍土處于一種類似于四相狀態(tài)的復(fù)雜體系，其物理力學(xué)特性都有較大變化，給工程建設(shè)帶來困難，圖1為凍土物質(zhì)構(gòu)成示意圖。

2 凍土的物理特性

2.1 凍土內(nèi)的物質(zhì)遷移特性

當(dāng)土體內(nèi)的一部分水分發(fā)生凍結(jié)時，其內(nèi)液態(tài)水含量減小固態(tài)水含量增加，這就會使凍結(jié)過程中產(chǎn)生物質(zhì)的遷移[7]。通常情況下，土體含水量越高相應(yīng)的地下水位也越高，也越容易發(fā)生水分的遷移。土體比表面積越大，土體滲透性越高，水分遷移率越高，因此在粒徑較小的細(xì)粒土中水分遷移最強(qiáng)烈，土體凍脹率也越大，而粒徑較大的粗粒土和滲透性較差的粘性土中，水分遷移一般難以發(fā)生。土體在外加荷載作用下，凍土內(nèi)的冰體通常也會發(fā)生遷移，稱為冰的塑性流動，冰體融化變成液態(tài)水，隨后再次凍結(jié)變成冰體，冰體發(fā)生重新分布。溫度或是外加荷載作用都是影響凍土內(nèi)液態(tài)水或固態(tài)冰遷移的重要因素。

2.2 凍土的融沉與凍脹

當(dāng)外界環(huán)境溫度變化導(dǎo)致土體內(nèi)部分冰體融化時，土體在其自身重力下會發(fā)生一定的下沉，稱為凍土的融沉現(xiàn)象。凍土融沉常導(dǎo)致其上結(jié)構(gòu)物發(fā)生不均勻沉降、傾斜等工程難題，要尤為注意。

土體部分水分發(fā)生凍結(jié)時會吸引下部水分往凍結(jié)處遷移，會在凍結(jié)處形成冰夾層及冰鏡透體，更多水分在此匯聚使冰夾層體積變大，土體表現(xiàn)為膨脹、隆起。土體的凍脹作用將引起土體內(nèi)部內(nèi)力重分布，還會產(chǎn)生凍脹應(yīng)力。凍脹土體與結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)相互作用對結(jié)構(gòu)物整體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

3 凍土的力學(xué)特性

現(xiàn)有研究資料和數(shù)據(jù)表明，凍土的強(qiáng)度主要由土體內(nèi)冰體強(qiáng)度、土顆粒間摩擦力及其相互作用決定。用來表征凍土強(qiáng)度的指標(biāo)主要有抗壓強(qiáng)度、凍結(jié)強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等。

凍土的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于普通土體的抗壓強(qiáng)度，且其強(qiáng)度變化與溫度變化成反比，因?yàn)闇囟茸兓瘜?dǎo)致土體內(nèi)冰體含量變化，一般來說冰體越多凍土抗壓強(qiáng)度越大；土質(zhì)對凍土抗壓強(qiáng)度也有一定影響，通常土顆粒越大，其抗壓強(qiáng)度也越高。

凍土凍結(jié)強(qiáng)度的實(shí)質(zhì)是凍土與結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)接觸面之間的摩阻力，它是結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)承載力的重要組成部分。凍土凍結(jié)強(qiáng)度的變化與結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)表面粗糙度及土質(zhì)有關(guān)?；A(chǔ)表面粗糙度越高，凍土的凍結(jié)強(qiáng)度就越大；通常砂性土的凍結(jié)強(qiáng)度最大，粘性土次之，礫石土最小。

凍土的抗剪強(qiáng)度為普通土體的數(shù)倍，也受土體內(nèi)冰體含量的影響，當(dāng)部分冰體融化為未凍水時，凍土抗剪強(qiáng)度會相應(yīng)降低。通常情況下，砂性土類凍土的抗剪強(qiáng)度中，內(nèi)摩擦力大于粘聚力；而粘性土類凍土，粘聚力大于內(nèi)摩擦力。

特定條件下，含水量、溫度是影響凍土強(qiáng)度特征的主要因素。含水量與溫度本質(zhì)上是通過影響土體內(nèi)凍結(jié)冰體的含量來影響凍土的強(qiáng)度特征，土體含水量高意味著其夾冰層越厚，土體強(qiáng)度就越高；溫度高冰體融化，土體強(qiáng)度就會減小。

室內(nèi)試驗(yàn)是研究高原凍土物理力學(xué)性能的有效途徑之一，而典型高原凍土組成成分復(fù)雜，各組分相互影響，長期低溫環(huán)境下其強(qiáng)度及變形特性與普通土體有較大差別，因此常規(guī)的動三軸土動力學(xué)試驗(yàn)難以準(zhǔn)確測得高原凍土的各動力學(xué)參數(shù)，試驗(yàn)室常用的溫控動三軸儀來實(shí)現(xiàn)不同溫度環(huán)境下加載，有效模擬典型高原凍土存在環(huán)境，可以較為準(zhǔn)確的測得凍土土力學(xué)參數(shù)，目前試驗(yàn)室常用的溫控動三軸試驗(yàn)系統(tǒng)主要由溫度控制系統(tǒng)、液壓油源、電氣控制系統(tǒng)、電液伺服機(jī)等四部分組成，裝置示意圖如圖2所示。

系統(tǒng)配置的溫控壓力室可設(shè)置溫度變化范圍-30 ℃～50 ℃，可通過分級、分段、線性等方式進(jìn)行升溫降溫，最終實(shí)現(xiàn)對溫度變化的精確控制及測量，試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)置的壓差傳感器與溫控壓力室結(jié)合，可精確捕捉試樣在溫度變化下的變形。

將典型高原凍土按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)要求制成規(guī)定尺寸的標(biāo)準(zhǔn)試樣，移動溫控壓力室及軌道將試樣緩慢放入壓力室中，以保證對試樣擾動最小，安裝壓力室及溫度隔離裝置；將壓力室移動到動態(tài)荷載架位置，連接溫度控制系統(tǒng)、液壓油源、電氣控制系統(tǒng)等開始試驗(yàn)；動態(tài)荷載通過荷載傳感器傳到試樣上，荷載可由內(nèi)置傳感器測量。

通過對高原凍土進(jìn)行不同溫度環(huán)境下的動態(tài)三軸試驗(yàn)，揭示典型高原凍土的形成與作用機(jī)制，并進(jìn)一步分析不同溫度作用下典型高原凍土的強(qiáng)度與變形特性。

4 結(jié)論與展望

我國為凍土高分布大國，國家高度重視凍土地區(qū)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)，青藏鐵路、西部大開發(fā)等國家戰(zhàn)略都受到凍土復(fù)雜特性的影響，凍土特性的研究仍為眾多專家學(xué)者研究的焦點(diǎn)，典型高原凍土的復(fù)雜特性以及試驗(yàn)室測定凍土土力學(xué)特性的局限性給高原凍土的研究帶來諸多困難，但這同時也帶動凍土研究愈發(fā)深入、全面，相信隨著對凍土全方位多層次研究的展開，凍土地區(qū)會有更進(jìn)一步的發(fā)展。